CN110365271B - 一种电机转速实时精确检测融合滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机转速实时精确检测融合滤波方法。该方法通过闭环跟踪积分器从原始速度信号ν_raw中提取加速度a_acc；原始速度信号ν_raw经两个不同截止频率的低通滤波器处理，高截止频率的滤波器输出为ν_real，低截止频率的滤波器输出为ν_avr；根据加速度信号a_acc动态计算ν_real和ν_avr的融合权值ω_real和ω_avr，从而自动调节不同状态下输出信号中动态分量和稳态分量的占比。较传统的电机转速滤波方式，本发明在处理动态信号时响应更快，处理稳态信号时波动更小，有利于电机控制系统性能的提高。

Description

一种电机转速实时精确检测融合滤波方法

技术领域

本发明属于电机转速测量技术领域。

背景技术

转速信号是电机控制系统中非常重要的一个反馈信号，其质量的高低决定了整个控制系统性能的好坏。高精度电机控制系统中，通常需要实现转速的快速、精确检测，才能够及时感知负载的变化并进行调节，以达到较高的控制性能。转速检测通常采取如下流程：通过光电编码器、旋转变压器、磁编码器等反馈元器件检测电机转子位置。采用M法、T法或M/T法计算出电机的转速。其中，M法被称为频率法，是在单位时间内检测转子位置的变化量计算电机转速，适用于高转速场合；T法被称为时间法，是通过获取电机转子运动单位位置所需的时间计算电机转速，适用于低转速场合；M/T法被称为频率时间法，是上述两种方法的结合，同时获取转子转动的位置和运动的时间计算转速。无论采取上述哪种方法计算电机转速，由于受位置检测元件干扰、电机运行不平稳等因素的影响，计算结果会有较大波动，不能直接用于运动控制，需要经过滤波处理。电机转速滤波器的设计需要满足三个条件：首先需具备良好的实时性，滤波器输出信号能够迅速反应输入信号的变化，不会引入大的时滞降低动态性能；其次需具备较高的精度，能够尽可能地抑制毛刺，提高控制系统的稳态性能；最后需简单稳定，易于在微控制器上编程实现。为了满足第三点要求，目前传统的电机转速信号滤波方法通常采用一阶或二阶低通滤波器。为了提高控制精度、降低运行噪声，只有设置比较低的截止频率才能获得较小的转速波动，但是这会引入较大时延，降低动态性能，当系统跟踪动态信号时由于相位滞后严重，会出现较大的超调甚至失稳；若要顾及动态跟踪性能，则需要提高截止频率，带来的后果则是毛刺无法充分抑制，转速波动变大，控制精度降低，系统运行噪音变大。传统的转速滤波方法在电机控制系统中难以同时满足实时性和精度这两方面的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种兼顾实时性和精度的电机转速融合滤波方法，实现电机转速实时精确检测。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

首先设置一个闭环跟踪积分器，从原始转速信号ν_raw中提取加速度信号a_acc；然后设置两个截止频率不同的低通滤波器分别用于动态和稳态转速信号的处理；最后根据加速度信号值调整动态和稳态转速信号的融合权值，进行转速信息的融合，实现不同状态下快速、高精度的电机转速检测。本发明的实施框图如图1所示，步骤如下：

步骤一：根据输入的原始转速信号ν_raw，采用闭环跟踪积分法提取加速度信号a_acc,闭环跟踪积分法提取加速度信号框图如图2所示，计算公式如下：

其中

为转速估计；k为增益系数，决定了加速度信号提取的快慢；ε为边界系数，决定了加速度信号提取的精度。

步骤二：设计低阶低通滤波器(阶数≤2)，截止频率为ω_cH(ω_cH≥25000rad/s)，使用该滤波器对ν_raw进行处理，得到信号ν_real；

步骤三：设计高阶低通滤波器(阶数≥4)，截止频率为ω_cL(ω_cL≤100rad/s)，使用该滤波器对ν_raw进行处理，得到信号ν_avr；

步骤四：根据提取的加速度信号a_acc采用如下公式计算信号ν_real和信号ν_avr的融合权值ω_real和ω_avr：

其中a_mid为设定的加速度阈值，根据指令加速度自动计算，步骤一中计算的指令加速度历史最大值记为a_accmax，则a_mid＝r·a_accmax，r为门限系数，根据实际需要调节，r∈[0.2,0.8]。

步骤五：按照如下公式进行转速信号的融合：

ν_fil＝ω_real·ν_real+ω_avr·ν_avr

ν_fil为最终的融合滤波输出信号，供转速控制使用。

本发明的优点在于：解决了传统转速信号滤波方法中快速性和精度无法兼顾的问题，根据加速度实时调整融合滤波输出信号中稳态和动态信号分量。相较于传统转速滤波方式，本发明在处理动态信号时实时性更好，在处理稳态信号时转速波动更小，控制精度更高。获取加速度信号时，设计了一种闭环跟踪积分提取方式，避免了二次微分进一步放大噪声，提高了系统的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的实施方案示意框图。

图2为闭环跟踪积分法提取加速度信号框图。

具体实施方式

根据本发明的步骤，对本发明进行举例说明。

步骤一：根据输入的原始转速信号ν_raw采用闭环跟踪积分法计算加速度信号a_acc。设定跟踪增益系数为100π，边界系数为5，采样时间为T_s，按如下递推公式计算当前的加速度：

步骤二：设计一阶惯性滤波器，截止频率ω_cH设为30000rad/s,对ν_raw按如下公式滤波处理得到v_real(k)：

步骤三：设计32阶FIR滤波器，截止频率ω_cL设为50rad/s，在MATLAB中用FDA TOOL计算滤波器系数得到系数矩阵：

COF[33]＝{2.226880474012e-005，0.0001415089493882，0.0004786238454831，

0.001077470529632，0.001651330037911，0.00136471342062，

0.001007355032551，-0.006256825463012，-0.01340334055849，

0.01861908038107，-0.01553268621855，0.002434320972558，

0.03829742608296，0.08823073241321，0.1410610255316,

0.1816265870069，0.1968648049715，0.1816265870069，

0.1410610255316，0.08823073241321，0.03829742608296，

0.002434320972558，-0.01553268621855，-0.01861908038107，

0.01340334055849，-0.006256825463012，-0.001007355032551，

0.00136471342062，0.001651330037911，0.001077470529632，

0.0004786238454831，0.0001415089493882，2.226880474012e-005}

按如下公式计算得到v_avr(k)。

步骤四：若步骤一计算的历史加速度最大值a_accmax＝200rad/s²,r取0.5，则a_mid＝200rad/s²，按照如下公式调整权值：

ω_avr(k)＝1-ω_real(k)

步骤五：按照如下公式计算当前时刻融合滤波输出信号ν_fil(k)：

ν_fil(k)＝ω_real(k)·ν_real(k)+ω_avr(k)·ν_avr(k)

ν_fil(k)能根据加速度的变化，自动调整动态分量和稳态分量在反馈信号中的占比，提高动态信号的响应速度，减小稳态转速波动，实现不同状态下实时、高精度的电机转速检测。

Claims (3)

1.一种电机转速实时精确检测融合滤波方法，其特征在于：

步骤一：根据输入的原始速度信号ν_raw计算加速度a_acc；计算加速度a_acc时采用闭环跟踪积分器，计算公式为：

其中

为转速估计，k为增益系数，ε为边界系数；

步骤二：设计截止频率为ω_cH的低通滤波器1，将信号ν_raw输入低通滤波器1得到输出ν_real；

步骤三：设计截止频率为ω_cL的低通滤波器2，将信号ν_raw输入低通滤波器2得到输出ν_avr；

步骤四：根据加速度a_acc计算ν_real和ν_avr的融合权值ω_real和ω_avr，融合权值计算采用如下公式：

其中a_mid为加速度阈值，根据加速度自动计算，步骤一中计算的加速度历史最大值记为a_accmax，则a_mid＝r·a_accmax，r为门限系数；

步骤五：根据ν_real、ν_avr以及权值ω_real、ω_avr采用公式ν_fil＝ω_real·ν_real+ω_avr·ν_avr计算最后的融合滤波输出信号ν_fil。

2.根据权利要求1所述的一种电机转速实时精确检测融合滤波方法，其特征在于：所述低通滤波器1的截止频率ω_cH≥25000rad/s，阶数≤2阶。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种电机转速实时精确检测融合滤波方法，其特征在于：所述低通滤波器2的截止频率ω_cL≤100rad/s，阶数≥4阶。

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